马铃薯组织间组成型和特异型表达基因的鉴定

马铃薯是重要的粮食作物,而块茎不仅是收获器官也是主栽四倍体品种的繁殖器官,近年来逐渐兴起的二倍体杂交育种通过实生种子进行繁殖,使得研究其花和果实发育变得尤为重要.因此,鉴定马铃薯不同组织组成型和组织特异表达的基因对马铃薯基因功能和遗传改良具有重要意义.通过分析二倍体马铃薯自交系A6-26和E4-63不同组织(花、块茎、根、果实、叶和茎)的转录组数据,筛选到12个组成型表达基因,同时筛选了一批花、果实和薯块中特异表达的基因,并利用GO分析和KEGG富集分析对这些基因进行了功能分析.

转录组分析初步揭示脂质代谢在增强马铃薯S.commersonii耐冻中的作用

马铃薯(Solanum tuberosum L.)是全球最重要的块茎类粮食作物.全球极端气候的频发及马铃薯种植区域的扩大,使得马铃薯易受极端气候灾害的影响,其中冻害是马铃薯生产中常见的气候灾害之一.栽培马铃薯不耐霜冻,冻害一旦发生严重影响马铃薯的生产.通过对低温敏感和低温耐受的两种不同马铃薯材料进行低温处理,转录组测序,检测到的22717个基因中有7522个差异表达基因(DEGs),KEGG富集分析表明脂质代谢的DEGs被特异性富集,进一步分析发现磷酸乙醇胺胞苷转移酶1(PECT1)、过氧化物酶体3-酮酰辅酶A硫酰酶3(PKT3)、甾醇甲基转移酶2(SMT2)、甾醇甲基转移酶3(SMT3)和长链酰基-CoA合成酶8(LACS8)等5个脂质代谢途径中关键酶的编码基因在低温处理后表达量上调,与抗寒性高度相关.

栽培和野生马铃薯遗传转化效率优化

为优化栽培和野生马铃薯遗传转化体系,提高转化效率,选择栽培马铃薯Desiree(De)和野生马铃薯Solanum commersonii(Sc)作为受体材料,设5个侵染时间梯度:10、20、40、60 min和80 min,分别对De和Sc进行侵染.结果表明,De的侵染时间为40 min时,转化效率最高,达50.86%,Sc的侵染时间为20 min时,转化效率最高,达96.3%.该研究结果提供了栽培种De和野生种Sc的最佳侵染时间,极大地提高了这两份受体材料的转化效率,优化其遗传转化体系,节约成本,对马铃薯基因工程育种具有重大意义.

马铃薯CBFs基因家族的鉴定及其节律性表达分析

马铃薯对光照和温度等信号的敏感性是制约品种区域化种植的重要因素,CBF转录因子在维持植物生长发育和非生物胁迫响应之间的平衡过程中发挥重要作用,但马铃薯CBF基因家族缺少系统性分析.研究通过对马铃薯栽培种CBF基因家族的分析,发现8个StCBF蛋白的结构域较为保守,但基因启动子区存在较大差异.基因节律性表达分析结果显示,生物钟能调控StCBF1a、StCBF3a和StCBF4b的近日节律性表达,且在昼夜交替条件下,StCBF1a、StCBF3a和StCBF4b转录本积累的峰值在傍晚时段.为解析StCBF在环境适应性调控中的生物学功能和探索其在马铃薯遗传改良中的应用提供基础理论支持.

冻害胁迫下马铃薯叶片中酚酸类物质研究

马铃薯野生种Solanum commersonii(CM)具有很强的抗冻性,对低温处理下不同时间点的抗寒材料CM及冷冻敏感材料StGp Phureja(DM)取样,进行转录组及代谢组测序,对116种酚酸类物质进行差异分析.结果表明,11种酚酸物质与抗寒材料CM的耐寒性相关,转录组关联分析筛选出36个转录因子与11种核心差异酚酸物质有相似的表达模式,响应马铃薯低温下的表达调控.

冻害胁迫下马铃薯叶片中生物碱类物质研究

以耐寒性野生马铃薯材料Solanum commersonii和冷冻敏感材料StGp Phureja作为研究对象,4℃驯化3 d后-3℃冻害处理3 h、6 h、12 h进行转录组和代谢组测序及相关分析.研究表明,生物碱类物质是这两个马铃薯品种有差异的主要代谢产物类别之一,对其抗寒性有重要影响.在马铃薯耐寒材料中有12个差异生物碱类代谢物响应低温胁迫.根据这12个核心差异代谢物进行关联分析筛选出27个转录因子与之有相似的表达模式,这些转录因子可能参与生物碱的调控.

马铃薯Solanum commersonii叶片再生体系建立

以马铃薯野生材料Solanum commersonii叶片为研究对象,经过对10个不同激素组合的筛选,得到最佳配比,建立马铃薯野生材料叶片再生体系.结果表明,马铃薯野生材料S.commersonii叶片愈伤的最佳诱导培养基为MS+1.00 mg·L^(-1)吲哚乙酸+1.50 mg·L^(-1)玉米素,诱导率高达100%,生长情况较好,愈伤组织呈浅绿色,表面呈米粒状.叶片愈伤组织不定芽分化的最佳培养基为MS+1.00 mg·L^(-1)吲哚乙酸+2.00 mg·L^(-1)玉米素,不定芽分化率达66.67%.

马铃薯HAK基因家族鉴定及耐盐性表达分析

高亲和性K+转运蛋白(high-affinity K+transporter,HAK)是植物中重要的K+转运蛋白家族之一,参与植物的多种生命过程,特别是K+的吸收和转运.马铃薯高质量参考基因组的公布,为HAK基因家族成员的全面鉴定和分析提供了重要支撑.本次研究从DM8.1中共鉴定出24个HAK家族成员,这些家族成员的氨基酸残基数目为249~1617个,分子量为27252.70~181106.69 U,等电点为5.92~9.35,其蛋白产物均定位在细胞质膜上.盐处理后,StHAK23的表达量在根部和叶片同时显著上调;StHAK2、StHAK4、StHAK10和StHAK14只在叶片中特异地显著上调;StHAK7、StHAK8、StHAK11、StHAK13和StHAK22只在根部特异性表达;剩余成员在根部或叶片中低水平表达或不表达.研究结果表明HAK基因家族的不同成员在响应盐胁迫的过程中发挥着不同的功能.

马铃薯不同生育期耐盐性鉴定

马铃薯是全球最重要的块茎类作物,是有效利用我国盐碱地资源、保障国家粮食安全的重要作物,但其不同生育期对盐胁迫的耐受性研究较少,限制了马铃薯耐盐资源的筛选与利用.以优薯5号为试验材料,采用200 mmol/L NaCl溶液浇灌盆栽苗,对马铃薯不同生育期进行表型以及相关生理指标的测定.结果表明马铃薯不同生育期盐耐受性差异明显:种子萌发受盐胁迫影响较大,其萌发完全受到抑制;薯块发芽期株高明显受盐胁迫抑制;幼苗期叶片萎蔫最明显,电导率和脯氨酸含量在盐处理120 h后显著提高,叶绿素含量在72 h后降至最低,丙二醛含量在24 h显著提高;花蕾期植株生长受盐胁迫影响较小;结薯期株高受盐胁迫的影响较小.综上所述,马铃薯不同生育期的耐盐性具有显著的差异.

药用植物遗传转化和基因编辑技术研究进展

植物遗传转化和基因编辑技术是后基因组时代研究基因功能的重要手段。植物遗传转化从最初依赖组织培养的方式发展到了不依赖组织培养的直接转化方式;基因编辑技术从需要剪切特定基因片段再修复的第1阶段编辑技术,发展到了无需剪切即可在特定部位精确替换碱基或精确插入、删除片段以及大片段的第3阶段编辑技术,两种技术不断取得突破,推动着植物生物技术的飞速发展。本文综述了植物遗传转化方法与基因编辑技术的最新研究进展,以及它们在药用植物中的应用,并对药用植物遗传转化新方法和基因编辑技术的建立进行了展望,旨在为药用植物的基因功能和分子育种研究提供技术支撑。

二倍体马铃薯花粉离体萌发条件的筛选

以二倍体马铃薯E172的新鲜花粉为材料,研究不同温度、不同硼酸及蔗糖浓度对E172花粉离体萌发的影响,探究其花粉在不同条件下体外萌发的情况.结果表明:二倍体马铃薯花粉萌发适宜的培养温度为28℃,最适宜的蔗糖浓度是17%,硼酸浓度是100 mg/L,其萌发率最高可达70.97%.

马铃薯红色薯肉调控基因的精细定位与候选基因分析

【目的】薯肉颜色是马铃薯重要的农艺性状,它直接影响马铃薯的营养和商品价值,一直是马铃薯遗传研究和育种改良的重要目标。本研究通过对二倍体红色薯肉分离群体的混池分析、基因精细定位和候选基因表达分析,确定调控红色薯肉的候选基因,为下一步基因功能、遗传调控研究及彩色马铃薯的分子育种奠定基础。【方法】本研究通过向二倍体红色薯肉亲本导入自交不亲和抑制基因Sli获得BC1S1群体,从300个单株中挑选18株红色薯肉和21株黄色薯肉个体提取基因组DNA,分别测序进行混池分析。通过集团分离分析法(bulked segregation analysis,BSA)对基因进行初步定位;在定位区间内开发分子标记,对796份BC1S1植株进行基因型分析,筛选交换单株,并结合表型对基因进行精细定位;借助参考基因组注释信息和qRT-PCR表达量分析确定候选基因。【结果】本研究通过构建薯肉颜色分离的二倍体BC1S1群体,利用BSA-seq分析把调控薯肉花青素合成的主效位点定位在第10号染色体48.70—52.20 Mb。最终,利用分子标记将该基因定位于51.47—51.85Mb的377 kb区间内。基于参考基因组注释信息,此区间包括5个基因,其中2个基因注释为MYB类转录因子,结合表达量数据推测这2个基因为候选基因,编号分别为PGSC0003DMG400013966、PGSC0003DMG400013965。【结论】本研究将调控马铃薯薯肉花青素积累的一个主效位点定位于第10号染色体51.47—51.85 Mb之间,推测PGSC0003DMG400013966和PGSC0003DMG400013965为候选基因。

多组学助力紫杉醇合成生物学研究

紫杉醇是高效的天然抗癌产物,广泛用于多种癌症的临床治疗。目前紫杉醇的生产主要是从红豆杉属(Taxus)植物中提取天然前体(如巴卡亭Ⅲ)然后再化学合成。受制于红豆杉植物资源,导致制药成本高。合成生物学的兴起为紫杉醇原料药的获取提供了新途径,但紫杉醇合成生物学的研究还有待推进。近年来,多组学被逐步应用到紫杉醇的合成生物学研究中。本文综述了多组学助力紫杉醇合成通路基因、调控基因和异源合成研究的最新进展,为紫杉醇的合成生物学研究提供了新的见解。

乙醇沉淀法提取二倍体马铃薯淀粉

研究了二倍体马铃薯淀粉的提取工艺,通过单因素和正交实验探究了乙醇终浓度、鲜薯重量及洗涤次数对二倍体马铃薯淀粉提取率的影响.结果表明,影响二倍体马铃薯淀粉提取率的三个重要因素为乙醇终浓度、洗涤次数和鲜薯重量.其中,乙醇终浓度对二倍体马铃薯淀粉提取率影响极显著(P<0.01).二倍体马铃薯淀粉提取的最佳条件组合为:乙醇终浓度30%,洗涤次数3次,鲜薯重50 g.与传统水提法相比,乙醇沉淀法能够提高二倍体马铃薯淀粉的提取效率,缩短大批量淀粉提取工作时间,为今后二倍体马铃薯淀粉生产工艺的研究提供了理论基础.

二倍体栽培马铃薯高效遗传转化体系的建立

【背景】马铃薯是最重要的块茎类粮食作物。栽培马铃薯以四倍体为主,但四倍体遗传和薯块繁殖增加了马铃薯改良的难度。因此越来越多的科学家呼吁在二倍体水平进行马铃薯的再驯化,将马铃薯驯化成种子繁殖作物。自然界中存在4个二倍体马铃薯原始栽培种,这些二倍体栽培种中蕴含着丰富的遗传变异,但是它们的遗传转化体系尚未成熟。【目的】建立高效的二倍体栽培马铃薯遗传转化体系,为二倍体马铃薯优良等位基因和分子育种提供工具。【方法】以二倍体栽培种马铃薯(Solanum phureja)CIP 703541为试验材料,利用绿色荧光蛋白基因(green fluorescent protein,GFP)作为报告基因,对遗传转化体系进行摸索,主要包括:预处理培养时间、诱导再生的激素比例、抗生素浓度以及转化效率。另外,利用同样的激素组合对17份不同基因型的二倍体马铃薯原始栽培种进行了测试,比较各个材料在不同激素浓度条件下的再生效率,筛选出再生效率较高的激素组合进行大量遗传转化;对再生苗进行生根筛选、荧光观察和PCR鉴定,统计阳性植株的概率。用流式细胞仪检测阳性植株的倍性,以分析再生植株发生染色体加倍的频率。【结果】预处理培养时间为2 d的外植体浸染效率最高。二倍体材料CIP 703541最适合再生出芽的激素配方为2.0 mg·L^(-1)玉米素(zeatin,ZT)﹕0.01 mg·L^(-1)奈乙酸(naphthaleneacetic acid,NAA)。再生阶段抗生素卡那霉素(kanamycin,Kan)的最适筛选浓度为100 mg·L^(-1),生根阶段的最适筛选浓度为50 mg·L^(-1)。通过对不同基因型进行筛选,获得3份再生能力较强的二倍体马铃薯材料(CIP 703308、CIP 703312和CIP 703541)。它们响应的激素配方各不相同,在添加了100 mg·L^(-1)卡那霉素的再生培养基中,3份材料的再生效率分别为45%、40%和52%。通过大规模遗传转化证明,3份材料的转化率分别为2.8%、4.2%和5.3%。经流式细胞仪检测,所获得的马铃薯阳性植株中四倍体的比例较高,CIP 703308、CIP 703312和CIP 703541的阳性转化植株中二倍体的比例分别为5.26%、10.53%和38.46%。【结论】建立了高效的二倍体马铃薯遗传转化体系,获得了3份再生能力较强的二倍体材料。另外,发现二倍体马铃薯在经过遗传转化之后再生植株中染色体加倍的比例较高。

马铃薯与其野生近缘种叶绿体基因组差异分析

叶绿体基因组是植物基因组的重要组成部分,解析马铃薯及其野生近缘种的叶绿体基因组结构差异对理解马铃薯的进化具有重要的意义.选择Solanum fernandezianum、Solanum etuberosum、Solanum palustre和Solanum phureja进行叶绿体基因组的组装和结构分析.发现它们叶绿体基因组的长度为155283~155492 bp,总GC含量变异较小,为37.86%~37.94%,基因的数目均为113个.通过基因组序列差异比较分析,共鉴定了725个单核苷酸多态性(SNP)、62个插入和47个缺失.其中,有229个SNP和3个缺失在马铃薯中是独有的,分别落在了49个和3个基因上.简单重复序列(SSR)分析发现,群体中只存在单核苷酸和二核苷酸的重复,总的变异数目在马铃薯中最少.序列相似性分析结果表明在马铃薯栽培种和野生种之间存在3个差异较大的区域.基于叶绿体全基因组的系统进化树分析发现,三个野生种中S.etuberosum和S.palustre具有更近的亲缘关系.

马铃薯叶片发育畸形基因的遗传分析

叶片是植物进行光合作用的主要器官,马铃薯叶片的光合能力与植株的生物量以及薯块的产量具有密切的关系.研究构建了马铃薯叶片发育畸形的分离群体,基于高通量测序的混合群体分离分析,将控制马铃薯叶片发育的基因定位于ch02:36.06 Mb-48.24 Mb区间.进一步通过精细定位将候选基因缩小范围至400 kb的区间,最后结合基因组注释信息,筛选出一个与叶绿体发育相关的基因作为候选基因.

马铃薯近缘种Solanum etuberosum的耐盐性鉴定及相关基因的表达分析

以Solanum etuberosum(etb)和栽培马铃薯为材料,利用200 mmol/L NaCl溶液进行处理,发现etb与栽培马铃薯比较,耐盐性较强.并进一步检测了盐处理条件下etb的鲜重、叶片萎蔫度、相对电导率和叶绿素含量.对植株在0、6、12 h和24 h处理后进行转录组数据分析,发现与0 h比较,etb中共有3587个基因表达上调,4311个基因表达下调,其中3个时间点共有的差异表达基因为1250个,差异表达基因主要富集在代谢途径以及次生代谢生物合成通路.通过Blast比对已知功能的基因,鉴定出了36个持续响应盐胁迫的差异表达基因,其中6个基因来自2C类蛋白磷酸酶(PP2C)家族,21个基因来自类钙调蛋白(CML)家族;还包括离子转运体阳离子质子交换蛋白(CHX20)、钾离子反向转运蛋白(KEA3)、钾离子转运蛋白(KT17)、离子通道钾离子四聚体通道蛋白(KCTD)、慢阴离子通道蛋白(SLAC1)、b型氯离子通道(CLC-b)和c型氯离子通道(CLC-c).对这些基因的表达量进行分析,发现大部分基因在盐胁迫下表达量持续降低,暗示其可能通过负调控参与响应盐胁迫.

马铃薯块茎不同发育时期转录组分析

为解析与薯块发育相关的关键基因,以马铃薯匍匐茎、薯块起始期和膨大期的薯块为材料进行转录组分析.结果显示:匍匐茎与薯块膨大起始期、薯块膨大起始期与膨大期比较分别筛选出759个和773个差异表达基因.基因本体分析显示这些基因主要富集到细胞过程、代谢过程和催化活性等生物学过程,代谢通路富集分析显示差异基因主要富集到能量代谢与碳水化合物代谢等途径,这些基因可能在块茎发育过程中的淀粉合成等途径起到关键作用.对富集到上述途径的基因结合转录组鉴定到了14个在薯块起始期上调表达的基因,利用实时荧光定量PCR验证了其中7个差异表达基因,发现其表达模式与转录组结果基本一致.

二倍体马铃薯淀粉及直链淀粉含量对糊化特性的影响

对二倍体马铃薯表观淀粉、直链淀粉含量及淀粉糊化特性之间的关系进行了探讨,以期对二倍体马铃薯淀粉加工应用品质作出初步评价。利用乙醇沉淀法提取二倍体马铃薯淀粉,进而采用双波长比色法测定直链淀粉含量和快速黏度分析仪测定淀粉糊化特征值。直链淀粉含量与淀粉糊化特征值崩解值、谷值黏度、糊化时间及温度四者均呈极显著相关(P<0.01);与消减值及最终黏度呈显著相关(P<0.05)。表观淀粉与直链淀粉含量呈极显著相关(P<0.01)。结合淀粉、直链淀粉含量与二倍体马铃薯淀粉糊化特征值可初步判断出淀粉糊的稳定性及凝沉性,便于淀粉的加工利用。该研究通过对二倍体马铃薯淀粉、直链淀粉含量及糊化特性的相关性分析,为马铃薯淀粉加工应用和品质改善提供了理论参考。